способ герметизации картриджей для очистки воды

Формула изобретения

Способ герметизации картриджей для очистки воды, заключающийся в нагревании участков крышки и стакана до температуры, достаточной для формирования кольцевого термического шва между ними, сжатии соединяемых деталей в зоне энергетического воздействия, удерживании крышки и стакана под статическим давлением до стабилизации термического шва, отличающийся тем, что крышку и стакан сжимают двумя кольцевыми поверхностями, одна из которых акустически связана с источником ультразвуковых колебаний, до касания соединяемых поверхностей крышки и стакана между собой, вводят ультразвуковые колебания частотного диапазона 22-44 кГц с амплитудой 10-100 мкм в противоположную соединяемой поверхность крышки, осуществляют ультразвуковое воздействие до перехода материалов крышки и стакана в зоне соединения в вязкопластичное состояние, периметр и ширину зоны ультразвукового воздействия устанавливают таким образом, чтобы обеспечить шов необходимой прочности и достаточной герметичности, увеличивают сжатие соединяемых поверхностей, регистрируют параметр ультразвукового воздействия, характеризующий степень перехода материала в вязкопластичное состояние, по величине этого параметра устанавливают время, необходимое и достаточное для формирования герметичного шва, отключают ультразвуковое воздействие и выдерживают без снижения усилия в сжатом состоянии соединяемые поверхности до перехода материала из вязкопластичного состояния и стабилизации герметизирующего шва, кольцевую поверхность, акустически не связанную с источником ультразвуковых колебаний, отводят от корпуса и осуществляют ультразвуковое воздействие на картридж до момента его отделения от поверхности, акустически связанной с источником ультразвуковых колебаний.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области техники, связанной с разработкой и применением систем очистки и подготовки воды, а именно к способам изготовления фильтрующего картриджа для очистки воды, и может быть использовано для создания современной материально-технической базы производств систем водоочистки и водоподготовки.

В последние годы в промышленности и бытовых условиях все большее распространение получают различные системы очистки воды. Основу всех систем очистки составляют специальные элементы, выполненные из фильтрующих материалов или заполненные специальными составами, обеспечивающими наряду с механической очисткой химическую очистку воды.

Наиболее простыми и доступными устройствами очистки воды являются устройства, монтируемые непосредственно на водопроводный кран или выполненные в виде специальных кувшинов [1]. Именно такие устройства наиболее широко используются в бытовых условиях (Фильтры - кувшины “BRITA”, поизводитель Германия, “БАРЬЕР”, “АКВАФОР”, производитель Россия).

Основным элементом бытовых устройств очистки являются пластмассовые цилиндрические объемы - картриджи, заполненные специальным наполнителем - активированным угольным порошком с необходимыми добавками. При прохождении воды через наполнитель осуществляется ее очистка.

Ресурс работы наполнителей картриджей (следовательно, и самого фильтрующего картриджа) ограничен, и поэтому возникает необходимость в создании многомиллионных автоматизированных производств картриджей, способных удовлетворить постоянно растущие потребности населения.

Одной из наиболее трудоемких и ответственных операций при производстве картриджей является операция герметичного соединения крышки с заполненным наполнителем корпусом картриджа (операция герметизации картриджа).

В настоящее время в промышленном производстве картриджей для очистки воды используются различные способы соединения крышки с корпусом.

Поскольку элементы картриджа изготавливаются из термопластичных материалов, наиболее простым и доступным способом герметизации фильтрующего картриджа является способ термической сварки [2]. Такой способ реализуется нагревом рабочего инструмента, контактирующего с участком поверхности крышки, противоположной поверхности, контактирующей с участком стакана в месте формирования термического шва. За счет повышения температуры рабочего инструмента и материала крышки осуществляется перевод материалов участков крышки и корпуса, по границе соединения, в вязкопластичное состояние. Последующим механическим сжатием, осуществляемым со стороны рабочего инструмента, осуществляется взаимное проникновение материалов крышки и корпуса. После формирования термического шва отключается нагрев рабочего инструмента, крышка и корпус картриджа удерживаются в сжатом состоянии до охлаждения материала (перехода из вязкопластичного состояния в обычное) и стабилизации термического шва.

Однако конструкция картриджа такова, что возникает необходимость использования специальных рабочих нагревательных инструментов для герметичной сварки крышки и корпуса картриджа. Инструмент должен обеспечить равномерный нагрев, по сварному шву в виде кольца. Однако при реализации термического способа сварки, для получения качественного соединения необходимо длительное время нагрева и охлаждения нагревательного сварочного инструмента, длительное время, необходимое для равномерного прогрева двух соединяемых материалов (при одностороннем доступе), периодическая очистка инструмента.

Использование самого эффективного (быстрого) способа нагрева рабочего инструмента токами высокой частоты (ТВЧ) [3] не позволяет решить проблему, поскольку основное время затрачивается, последовательно, на перевод материала крышки, в месте соединения, в вязкопластичное состояние, перевод материала корпуса картриджа, в месте соединения, в вязкопластичное состояние и затем их механическое соединение (введение одного материала в расплав другого). При этом рабочий инструмент проникает в материал крышки и требуется использовать специальные механические устройства, обеспечивающие механическое разделение инструмента и загерметизированного картриджа. Создаваемые для механического разделения инструмента и картриджа усилия приводят к появлению отрывных напряжений на границе соединения крышки и корпуса, нарушающих герметичность соединения и обуславливающих значительный процент брака при производстве картриджей для очистки воды.

На практике для герметизации картриджей наибольшее распространение получил способ термической сварки [4], принятый за прототип, при реализации которого повышение температуры на соединяемых поверхностях достигается за счет трения соединяемых поверхностей между собой. Крышка картриджа вращается относительно корпуса с трением, соединяемые поверхности разогреваются до заданной температуры, затем осуществляется остановка крышки и соединение элементов под давлением.

Прототип позволяет повысить качество герметизации картриджей и исключить необходимость нагрева рабочего инструмента.

Однако наряду с рассмотренными выше недостатками известный способ герметизиции картриджей требует больших энергозатрат, времени, применения специальных систем вращения и практически реализуем только на изделиях, не имеющих геометрических отклонений по толщине, загрязнений на соединяемых поверхностях и только при использовании специальных дорогостоящих полимерных материалов.

Кроме того, при реализации прототипа невозможно обеспечить контроль параметров в зоне формирования термического шва (например, температуру на границе соединяемых материалов или момент перехода материалов на границе в вязкопластичное состояние). Отсутствие контроля не позволяет оперативно влиять на процесс, оптимизируя время герметизации при отклонениях геометрических и технологических параметров от нормы (например, толщины стенок, скорости вращения, коэффициента трения материалов между собой и т.п.).

Таким образом, невозможность оперативного управления процессом еще один существенный недостаток известного способа.

Выявленные недостатки прототипа обуславливают его недостаточную эффективность (длительное время процесса, большие энергозатраты, необходимость создания механических систем вращения, торможения, невозможность контроля и оперативного управления процессом) и делают его непригодным для использования в высокопроизводительных, автоматизированных производствах.

В связи с этим возникла необходимость в создании простого и эффективного способа, позволяющего обеспечить качественное герметичное соединение крышки с корпусом картриджа и разработать специализированное оборудование для практической реализации нового способа.

Проведенный анализ функциональных возможностей различных способов герметизации, применительно к материалам и конструкции фильтрующего картриджа, позволил предложить в качестве энергетического воздействия, способного решить поставленную задачу, - ультразвуковое воздействие, реализуемое в известном методе ультразвуковой низкотемпературной сварки [5].

К достоинствам ультразвуковой сварки термопластичных материалов относятся:

1. Достаточность доступа рабочим инструментом, через который осуществляется энергетическое воздействие к поверхности только одной из соединяемых деталей, с возможностью выделения максимальной энергии на границе соединения этой детали с другой [6].

2. Возможность сварки без предварительной подготовки соединяемых поверхностей (шлифовка, удаление жидких и твердых загрязнений) и выполнения специальных конструктивных элементов, выполняющих роль присадочного материала.

3. Возможность герметичного соединения при температурах ниже температуры плавления и разложения материалов деталей картриджа.

4. Время получения качественного сварного соединения не превышает нескольких секунд.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих способов герметизации картриджей для очистки воды и создание нового способа, позволяющего обеспечить надежную герметизацию картриджей различных типов, выполненных из различных термопластичных материалов, повысить производительность процесса при одновременном уменьшении энергозатрат. Новый способ позволит также исключить применение систем вращения за счет ввода энергии только в зону формирования шва. Кроме того, новый способ обеспечит непрерывный контроль параметров процесса и оптимизацию энергетического и временного воздействия. Разработанный и практически реализованный способ герметизации картриджей для очистки воды позволит организовать автоматизированные высокопроизводительные производства картриджей для очистки воды, снизить стоимость готового продукта и удовлетворить растущие потребности населения.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном способе герметизации картриджей для очистки воды, заключающемся в нагревании участков крышки и корпуса до температуры, достаточной для формирования кольцевого термического шва между ними, сжатии соединяемых деталей в зоне энергетического воздействия, удерживании крышки и корпуса под статическим давлением до стабилизации термического шва, при этом крышку и корпус картриджа сжимают двумя кольцевыми поверхностями, одна из которых акустически связана с источником ультразвуковых колебаний до касания соединяемых поверхностей крышки и корпуса между собой, вводят ультразвуковые колебания частотного диапазона 22-44 кГц с амплитудой 10-100 мкм в противоположную соединяемой поверхность крышки. Ультразвуковое воздействие осуществляют до перехода материалов крышки и корпуса в зоне соединения в вязкопластичное состояние, периметр и ширину зоны ультразвукового воздействия устанавливают таким образом, чтобы обеспечить шов необходимой прочности и достаточной герметичности. Увеличивают сжатие соединяемых поверхностей, регистрируют параметр ультразвукового воздействия, характеризующий степень перехода материала в вязкопластичное состояние. По величине этого параметра устанавливают время, необходимое и достаточное для формирования герметичного шва, отключают ультразвуковое воздействие и выдерживают, без снижения усилия, в сжатом состоянии соединяемые поверхности до перехода материала из вязкопластичного состояния и стабилизации герметизирующего шва. Кольцевую поверхность, акустически не связанную с источником ультразвуковых колебаний, отводят от корпуса и осуществляют ультразвуковое воздействие на картридж до момента его отделения от поверхности, акустически связанной с источником ультразвуковых колебаний.

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1.

На фиг.1 представлена конструктивная схема, поясняющая реализацию предложенного способа герметизации картриджей для очистки воды.

При реализации способа герметизации картриджей для очистки воды крышка 1 и корпус 2 картриджа устанавливаются в специальный упорный стакан 3, после чего с помощью электрического привода-подъемника 4 производится перемещение упорного стакана с деталями картриджа к излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы 5 до соприкосновения деталей с излучающей поверхностью и сжатия деталей. После того, как детали окажутся сжатыми между упорным стаканом 3 и колебательной системой 5, включается ультразвуковой генератор 6 и производится ввод ультразвуковых колебаний в зону сварки. В процессе ввода ультразвуковых колебаний происходит переход материалов в вязкопластичное состояние, перераспределение материала в зоне сварки, что приводит к уменьшению его толщины. Для того, чтобы сохранить усилие сжатия, необходимое для эффективного ввода ультразвуковых колебаний в материал, производится автоматическая компенсация зазора. При этом в генераторе происходит непрерывный контроль величины электрического тока, протекающего через пьезоэлектрические элементы ультразвуковой колебательной системы 5. По изменению величины этого тока определяется момент перехода материалов на границе соединения в вязкопластичное состояние и определяется оптимальное время, необходимое и достаточное для формирования герметизирующего шва [7]. По истечении времени, необходимого для протекания процесса ультразвуковой сварки, генератор выключается, производится освобождение изделия из зоны сварки (перемещение упорного стакана в направлении от ультразвуковой колебательной системы). В некоторых случаях наблюдается прилипание картриджа к излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы. Поэтому после освобождения картриджа производится кратковременное включение ультразвукового генератора, что вызывает гарантированное отделение изделия от колебательной системы 5.

Для практической реализации предложенного способа, а именно для автоматического перемещения, сжатия свариваемых деталей, поддержания необходимого усилия сжатия и возврата в исходное положение после герметизации, создана специализированная установка, внешний вид которой представлен на фиг.2.

В состав установки входит упорный стакан 3 для свариваемых крышки 1 и корпуса 2, механический привод-подъемник 4, ультразвуковая колебательная система 5, вращаемый ротор 7, штатив и корпус 8. Перед герметизацией детали картриджа представлены в позициях 1 и 2. После цикла герметизации положение картриджа представлено на позиции 9. Генератор электрических колебаний 6 включен в состав электронного блока, выполненного в отдельном корпусе.

Для автоматизации процесса ультразвуковой герметизации электронный блок осуществляет управление устройствами привода-подъемника и обеспечивает работу всех элементов механического привода установки в необходимых режимах.

Основу электронного блока установки составляет микроконтроллер (AT90S44338PI), задающий требуемые режимы работы отдельных блоков и всей установки в целом. Контактные датчики позиционирования ротора и крайних верхнего и нижнего положений упорного стакана необходимы для определения времени включения ультразвукового генератора.

Генератор ультразвуковых колебаний и ультразвуковая колебательная система предназначены для генерации, преобразования и передачи ультразвуковых механических колебаний в зону герметизации картриджа.

Разработанная схема обеспечивает следующие режимы работы установки:

1. Точное позиционирование крышки и корпуса картриджа под рабочий сварочный инструмент ультразвуковой колебательной системы.

2. Автоматический подъем и прижим свариваемых элементов картриджа к рабочему сварочному инструменту.

3. Автоматическое включение ультразвукового генератора установки при наличии свариваемых элементов.

4. Автоматическая установка необходимых параметров и режимов работы при выбранной выходной мощности (амплитуде колебаний).

5. Автоматическое поддержание установленной мощности и автоматическое поддержание частоты генератора при изменениях собственной частоты колебательной системы.

6. Автоматическое выключение ультразвукового аппарата по истечении времени, достаточного для перевода материалов в вязкопластичное состояние и формирования термического шва.

7. Автоматический сброс картриджа при его возможном заклинивании или залипании с рабочим сварочным инструментом ультразвуковой колебательной системы.

8. Автоматическое возвращение готового картриджа в исходное положение.

Для получения сварного шва в виде кольца шириной 2 мм была разработана и изготовлена специализированная полуволновая ультразвуковая колебательная система с рабочим инструментом, объединенным с концентратором экспоненциального типа [8]. Рабочий инструмент колебательной системы выполнен в виде полого цилиндра, имеющего внутреннюю экспоненциальную поверхность. Это обеспечивает усиление амплитуды механических ультразвуковых колебаний и их передачу в область формирования сварного соединения. При этом обеспечивается качественный сварной шов в виде замкнутого кольца. Проведенные исследования показали, что разработанная и изготовленная колебательная система создает концентрацию и равномерное распределение ультразвуковых колебаний по всей площади кольца рабочего сварочного инструмента. Коэффициент усиления колебательной системы равен 10. Амплитуда колебаний изменяется от 0 до 100 мкм при изменении выходной мощности генератора от 0 до 100%.

Для питания ультразвуковой колебательной системы был разработан электронный генератор ультразвуковых колебаний. В состав электронного генератора был введен управляемый тиристорный регулятор мощности, обеспечивающий автоматическую подстройку и поддержание выводимой мощности на установленном на дисплее уровне от 0 до 150 Вт.

Для практической реализации предложенного способа герметизации в состав генератора введен блок, обеспечивающий непрерывный контроль тока, протекающего в процессе сварки через колебательную систему, и анализирующий характер изменения величины этого тока. Как известно [7], при ультразвуковой сварке изменение акустических свойств материалов, переходящих в вязкопластичное состояние, сопровождается изменением акустической нагрузки на колебательную систему. Изменение акустической нагрузки на колебательную систему приводит к изменению добротности колебательной системы и величины электрического тока, протекающего через пьезоэлементы такой системы. По характеру изменения величины тока однозначно определяется степень перехода материала в вязкопластичное состояние и устанавливается параметр, характеризующий переход материала в зоне формирования сварного шва заданной площади в вязкопластичное состояние. По величине этого параметра автоматически устанавливают оптимальное время, необходимое и достаточное для формирования герметичного шва.

В процессе отработки способа герметизации картриджа и настройки оборудования были установлены оптимальные режимы и параметры работы установки в автоматическом режиме. При этом были выявлены параметры оптимального усилия сжатия свариваемых элементов картриджа для обеспечения качественной герметичной сварки, время сварки элементов картриджа при оптимальном уровне акустической мощности и амплитуды колебаний, выводимых в зону сварки.

Созданный аппарат для сварки элементов картриджа имеет следующие технические характеристики:

Время подъема и прижима 1-3 с

Время сварки 1-6 с

Время удержания 1 с

Время возврата 1-2 с

Общее время операции 5-12 с

Усилие прижима 15 кг

Пределы регулирования мощности 0-100%

Амплитуда колебаний 0-100 мкм

Акустическая мощность 0-150 Вт

Потребляемая электрическая

мощность 250 Вт

Технический результат изобретения выражается в повышении эффективности (повышении производительности и улучшении качества герметизации) способа герметизации картриджей для очистки воды за счет реализации возможностей ультразвуковой низкотемпературной сварки.

В результате реализации предлагаемого технического решения оптимизирована технология герметизации картриджа с точки зрения обеспечения герметичности при максимальной производительности, возможности контроля за процессом, снижения энергозатрат и исключения сложных механических устройств высокоскоростного вращения и торможения.

Разработанный в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета способ герметизации картриджей для очистки воды прошел лабораторные и технические испытания и был практически реализован в действующей автоматизированной установке.

В настоящее время Бийским технологическим институтом ведется подготовка к серийному производству автоматизированных установок, в основу которых положен предложенный способ герметизации.

Мелкосерийное производство начато в 2003 году.

Источники информации

1. Патент США №6423224.

2. Патент РФ №2126324.

3. Патент РФ №209792.

4. Патент РФ №2085383 (прототип).

5. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1988.

6. Зайцев К.И., Мацук Л.И. Сварка пластмасс. - М.: Машиностроение, 1978.

7. Авторское свидетельство СССР №1627413.

8. В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, А.Н. Сливин, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов, И.И. Савин, С.В. Левин, М.В. Хмелев. Разработка технологии и оборудования для ультразвуковой сварки элементов картриджа для очистки воды. Межвузовский сборник “Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях”. - Бийск: АлтГТУ, 2003, с.247-256.